n3.bản Word LÊN MEN hoàn chỉnh

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM

KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM
==== ====

TIỂU LUẬN
CƠNG NGHỆ LÊN MEN THỰC PHẨM

TÌM HIỂU VỀ MƠI TRƯỜNG LÊN MEN

Nhóm sinh viên: Nhóm 3
Giáo viên hướng dẫn: TS. NGUYỄN THỊ THANH THỦY

HÀ NỘI 2/2016
DANH SÁCH NHÓM 3

26


STT

HỌ VÀ TÊN

MSV

LỚP

1

Trần Diệu Linh

581532

K58CNTPB

2

Trương Thị Xuân Mơ

581539

K58CNTPB

3

Lê Thành Trung

581569

K58CNTPB

4

Dương Thị Vui

581572

K58CNTPB

MỤC LỤC

PHẦN MỘT: MỞ ĐẦU......................................................................................4
26


1.1.

Đặt vấn đề.............................................................................................4

1.2.

Mục đích...............................................................................................5

1.3.

Yêu cầu.................................................................................................5

PHẦN HAI: NỘI DUNG....................................................................................6
2.1.

Dinh dưỡng của vi sinh vật.................................................................6

2.1.1.

Thành phần dinh dưỡng ở tế bào vi sinh vật................................6

2.1.2.

Quá trình dinh dưỡng ở tế bào vi sinh vật....................................7

2.1.3.

Nhu cầu dinh dưỡng của vi sinh vật.............................................8

2.2.

Các thành phần của môi trường lên men........................................11

2.2.1.

Yêu cầu đối với môi trường lên men...........................................12

2.2.1.1. Yêu cầu chung.........................................................................12
2.2.1.2. Yêu cầu về nguồn dinh dưỡng trong môi trường lên men....13
2.2.2.

Thành phần môi trường..............................................................13

2.2.2.1. Nguồn C..................................................................................13
2.2.2.2. Nguồn N..................................................................................15
2.2.2.3. Nguồn muối vô cơ...................................................................16
2.2.2.4. Vitamin....................................................................................18
2.2.2.5. Thành phần công nghệ...........................................................19
2.3.

Một số môi trường lên men tiêu biểu...............................................20

2.3.1.

Khái quát chung..........................................................................20

2.3.1.1.

Môi trường tự nhiên (complex medium)...............................20

2.3.1.2.

Môi trường tổng hợp (medium)synthetic..............................21

2.3.1.3. Môi trường bán tổng hợp.......................................................23
2.3.2.

Một số thành phần môi trường lên men tiêu biểu......................23

PHẦN BA: KẾT LUẬN....................................................................................25
26


26


PHẦN MỘT: MỞ ĐẦU
1.1.

Đặt vấn đề

Loài người biết sử dụng các sản phẩm lên men từ thời cổ xưa. Rượu vang
thấy xuất hiện ở xã hội Ai Cập từ 8 đến 10 ngàn năm trước Công nguyên. Bia
xuất hiện ở Babilon trước đây khoảng 7000 năm, rượu xuất hiện ở Trung Quốc
khoảng 2000 năm trước Công nguyên.
Suốt thời gian dài, các quá trình lên men được thực hiện ở quy mơ thủ

cơng trong từng gia đình và người ta cũng không thấy rõ tác nhân gây lên men.
Đến giữa thế kỷ XIX, Louise Paster phát hiện ra vi sinh vật và cơ sở của q
trinh lên men.Từ đó, ngành cơng nghiệp lên men phát triển mạnh mẽ và trở
thành một nền kinh tế độc lập, chiếm tỷ trọng lớn trong nhiều quốc gia.
Ngày nay cùng với tốc độ đô thị hóa, hiện đại hóa của đất nước, nhu cầu
ăn uống của con người ngày càng cao dẫn đến ngành công nghệ thực phẩm có
điều kiện phát triển mạnh. Đặc biệt là ngành cơng nghệ thực phẩm có ứng dụng
q trình lên men.
Lên men là q trình chuyển hóa cacbohydrat và một số hợp chất hữu cơ
khác thành chất mới dưới tác dụng của enzyme do vi sinh vật gây ra. Mục đích
chính của q trình lên men là sự chuyển hóa cơ chất trong mơi trường dinh
dưỡng thành sản phẩm. Tuy nhiên trong thực tế do chưa hiểu rõ các đặc tính
biến đổi của các vi sinh vật do mơi trường gây ra mà chúng ta không thể khống
chế những biến đổi có hại cũng như phát huy hết những đặc tính có lợi do vi
sinh vật tạo ra trong quá trình lên men. Chẳng hạn, những vi khuẩn hiếu khí bắt
buộc khơng thể sinh trưởng và phát triển ở những môi trường thiếu oxy. Sự sinh
trưởng và phát triển của các vi sinh vật chịu ảnh hưởng rất lớn đối với các nhân
tố vật lý, hóa học của mơi trường. Hiểu biết về ảnh hưởng của các nhân tố môi
trường đối với sự sinh trưởng của các vi sinh vật sẽ giúp ích rất nhiều cho việc
khống chế vi sinh vật cũng như đối với nghiên cứu sự phân bố của chúng.
Do đó, để tránh những tổn thất khơng đáng có và phát huy hết những
điểm mạnh của vi sinh vật thì việc tạo ra một mơi trường sống phù hợp và đáp
ứng yêu cầu là vấn đề quan trọng nhất. Vì vậy việc tìm hiểu về dinh dưỡng và
môi trường lên men là một vấn đề cần thiết.

26


1.2.

Mục đích

Tìm hiểu về dinh dưỡng cơ bản và cần thiết cho quá trình lên men của vi
sinh vật để thuận lợi cho tiến hành quá trình lên men.
1.3.

Yêu cầu

- Tìm hiểu chung về dinh dưỡng cơ bản và thiết yếu của vi sinh vật;
- Tìm hiểu về một số thành phần của mơi trường lên men;
- Tìm hiểu về môi trường lên men tiêu biểu;

PHẦN HAI: NỘI DUNG
26


2.1.

Dinh dưỡng của vi sinh vật

2.1.1. Thành phần dinh dưỡng ở tế bào vi sinh vật

Chất dinh dưỡng vi sinh vật là nguyên liệu cung cấp cho các quá trình
sinh tổng hợp tạo ra các thành phần của tế bào và các quá trình trao đổi năng
lượng ở vi sinh vật. Quá trình dinh dưỡng là hấp thu các chất dinh dưỡng để
thỏa mãn mọi nhu cầu sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật. Đây là cơ sở để
nghiên cứu, ứng dụng hay ức chế vi sinh vật. Chất dinh dưỡng là những hợp
chất tham gia vào quá trình trao đổi chất nội bào. Do vậy để nghiên cứu mơi
trường dinh dưỡng thích hợp cho vi sinh vật, người ta cần nghiên cứu thành
phần hóa học của tế bào vi sinh vật, nó quyết định nhu cầu dinh dưỡng của

chúng.
Thành phần dinh dưỡng của tế bào vi sinh vật được xây dựng từ các
nguyên tố đa lượng như C, H, O, N và các nguyên tố khoáng đa lượng và vi
lượng. Ví dụ như:
Bảng 2.1.1 Thành phần các nguyên tố chủ yếu của tế bào vi khuẩn E.coli
Nguyên
tố

% chất khô

Nguyên
tố

% chất khô

C

50

Na

0.5

N

20

Ca

0.5

O

14

Mg

0.5

H

8

Cl

0.2

P

3

S

1

K

1

Fe và

các
nguyên
tố khác

0.3

( Nguồn:Lê Gia Huy, 2010, Cơ sở công nghệ vi sinh vật và ứng dụng)
Lượng các nguyên tố chứa ở các vi sinh vật khác nhau là không giống
nhau. Trong điều kiện nuôi cấy khác nhau ứng với các giai đoạn phát triển khác
nhau, lượng ngun tố trong cùng một lồi cũng khơng giống nhau.
Bảng 2.1.2 Lượng chứa trung bình các loại nguyên tố chủ yếu trong tế bào một
số nhóm vi sinh vật (% trọng lượng khô)
26


Nguyên tố

Vi khuẩn

Nấm men

Nấm sợi

C

~50

~50

~48

H

~8

~7

~7

O

~20

~31

~40

N

~15

~12

~5

P

~3

-

-

S

~1

-

-

Tuy nhiên chúng gồm 2 phần lớn: Nước và muối khoáng; các hợp chất
hữu cơ.
Nước và muối khoáng: Nước chiếm khoảng 70-90% khối lượng cơ thể vi
sinh vật. Phần lớn nước có thể tham gia vào quá trình trao đổi chất của vi sinh
vật ở dạng nước tự do. Nước kết hợp là phần nước liên kết với các hợp chất hữu
cơ cao phân tử trong tế bào. Nước liên kết mất khả năng hòa tan và lưu động.
Muối khống chiếm khoảng 2-5% khối lượng khơ của tế bào. Chúng thường tồn
tại dưới dạng muối sufat, phosphate, cacbonat, clorua…Trong tế bào chúng
thường tồn tại dạng ion. Các ion trong tế bào luôn tồn tại ở những tỷ lệ nhất
định, nhằm duy trì độ pH và áp suất thẩm thấu thích hợp cho từng loại vi sinh
vật.
Chất hữu cơ trong tế bào vi sinh vật chủ yếu được cấu tạo bởi các nguyên
tố: C, H, O, N, P, S…Riêng các nguyên tố C, H, O, N chiếm tới 90-97% tồn bộ
chất khơ của tế bào. Trong tế bào vi khuẩn các hợp chất đại phân tử chỉ chiếm
3.5%, và cịn các ion vơ cơ chỉ có 1%.

2.1.2. Quá trình dinh dưỡng ở tế bào vi sinh vật
Trao đổi chất là tất cả các phản ứng hóa học xảy ra trong tế bào hoặc
trong cơ thể. Nó gồm hai q trình: đồng hóa là các phản ứng tổng hợp các chất

khác nhau để xây dựng và kiến tạo tế bào và dị hóa là q trình phân gải tạo
năng lượng. Nhu cầu năng lượng của vi sinh vật có thể thỏa mãn nhờ: Quang
hợp - sử dụng ánh sáng làm nguồn năng lượng hoặc oxy hóa các hợp chất hóa
học cao phân tử chứa nhiều năng lượng.
26


Căn cứ vào nguồn C, nguồn năng lượng, nguồn điện tử, có thể chia thành
các loại sau đây (bảng 2.1.3)
Bảng 2.1.3 Các loại hình dinh dưỡng của vi sinh vật (I)

Nguồn C (Carbon sources)
+Tự dưỡng (autotroph) +Dị dưỡng
(heterotroph)

CO2 là nguồn C duy nhất hay chủ
yếu
Nguồn C là chất hữu cơ

Nguồn năng lượng (Energy sources)
+Dinh dưỡng quang năng
(phototroph)
+Dinh dưỡng hoá năng
(chemotroph)

Nguồn năng lượng là ánh sáng
Nguồn năng lượng là năng lượng
hóa học giải phỏng ra từ sự oxy hoá
hợp

Nguồn điện tử (Electron sources)
+ Dinh dưỡng vô cơ
(lithotroph)
+ Dinh dưỡng hữu cơ

Dùng các phân tử vô cơ dạng khử
để cung cấp điện tử
Dùng các phân tử hữu cơ để cung
cấp điện tử

(organotroph)

Tất cả các vi sinh vật đều có nhu cầu các nguyên tố rất giống nhau để
xây dựng lên tế bào của chúng.Vi sinh vật nhận các ‘khối xây dựng cơ bản’ này
từ mơi trường sau đó thu thập vào trong tế bào.
2.1.3. Nhu cầu dinh dưỡng của vi sinh vật
Các chất dinh dưỡng đa lượng và vi lượng có ý nghĩa rất lớn trong q
trình ni cấy và nghiên cứu các chủng vi sinh vật. Hiểu được các nguyên tố,
hàm lượng cấu thành tế bào, nguồn gốc cũng như chức năng của chúng đối với
tế bào vi sinh vật là rất cần thiết trong nghiên cứu tối ưu hóa mơi trường nuôi
cấy và lên men sản xuất các sản phẩm trong công nghiệp.

26


Một số lồi có thể sử dụng một số hợp chất đơn giản làm nguồn dinh
dưỡng cho tất cả các chất dinh dưỡng đa lượng, nguyên tố vết và từ đó chúng
được tổng hợp tất cả các phân tử hợp chất cần thiết cho sinh trưởng. Những vi
sinh vật khác khơng có khả năng trao đổi chất rộng và sự sinh trưởng của chúng
phụ thuộc vào các phần tử hữu cơ có sẵn mà chúng khơng có khả năng tổng hợp.

Do đó chúng thu nhận từ mơi trường.
Tùy thuộc vào nhu cầu các chất là nhân tố sinh trưởng, vi sinh vật được
chia làm 2 nhóm:
 Tự dưỡng là những vi sinh vật không cần các nhân tố sinh trưởng và chúng
cần những yếu tố của môi trường nuôi cấy là đủ.
 Khuyết dưỡng (Dị dưỡng) là những vi sinh vật đòi hỏi các chất hữu cơ nhất
đinh cần cho sự sinh trưởng của chúng.
Các vi sinh vật nguyên dưỡng có thể ni cấy và phát triển trên mơi
trường tối thiểu, loại môi trường này chứa các nguyên tố dinh dưỡng chủ yếu. Ví
dụ mơi trường tối thiểu có thành phần như sau (g/l) : Glucozo-10.5; K2HP04-1;
KH2PO4-3.5; MgSO4.7H2O-0.05; Fe2SO4-0.005; NaCl.2H2O-0.05; MnCl2.2H2O0.02 và nước cất-1000 ml.
Một số nhân tố sinh trưởng bao gồm:
 Các vitamin không phải là thành phần, không phải là protein của nhiều
enzyme.
 Các axit amin cho sinh tổng hợp protein như các gốc kiềm purin, pirimidi.
 Các axit nucleic để tổng hợp AND và ARN.
Nhu cầu và sự thiếu các nguyên tố sinh trưởng phản ánh khả năng sinh
tổng hợp của vi sinh vật và nó được phản ánh ngược lại trong môi trường mà vi
sinh vật sinh sống, nó giống như khả năng tổng hợp các hợp chất bị mất do nó
ln ln nhận từ bên ngoài.
Các chất dinh dưỡng đa lượng và vi lượng được trình bày trên bảng.
Bảng 2.1.4 Các chất dinh dưỡng đa lượng, vi lượng, nguồn gốc và chức năng
đối với tế bào vi sinh vật.
Nguyên tố

% Khối
lượng khô
(*)

Nguồn gốc

Chức năng

26


Thức ăn đa lượng
Cacbon

50

Hợp chất hữu
cơ hoặc CO2

Xây dựng thành phần vật
chất cơ bản của tế bào.

Oxy

20

H2O, hợp chất
hữu cơ, CO2

Xây dựng nên vật chất và
nước trong tế bào, O2 là
chất nhận điện tử trong hơ
hấp hiếu khí

và O2

Nito

14

NH3, NO3, hợp Xây dựng nên axit amin,
chất hữu cơ,N2 nucleotit của các axit
nucleic và coenzyme

Hydro

8

H2O, hợp chất
hữu cơ, H2

Photpho

3

Photphat vô cơ Xây dựng nên các axit
(PO4)
nucleic, nucleotit,
photpholipit, LPS, axit
teichoic

Xây dựng nên các hợp
chất hữu cơ, tham gia vào
quá trình sinh năng lượng
như các proton

Thức ăn vi lượng
Lưu huỳnh

1

SO4, H2S, SO, Xây dựng nên xystein,
hợp chất hữu methionin, glutathion và
cơ chứa lưu
nhiều coenzyme
huỳnh.

Kali

1

Muối kali

Xây dựng nên các cation
vô cơ của tế bào và là
cofacto cho các enzyme

Magie

0.5

Muối magie

Dạng cation vô cơ của tế
bào, cofacto cho nhiều
phản ứng enzyme

Canxi

0.5

Muối canxi

Cation vô cơ là cofacto
cho nhiều enzym và là cấu
phần của nội bào tử

Sắt

0.2

Muối sắt

Cấu phần của xitocrom và
các protein khác và cũng
26


là cofactor cho một số
phẩn ứng enzyme
* % chất khô cho tế bào E.coli tiêu biểu trong pha log
( Nguồn: Lê Gia Huy,2010, Cơ sở công nghệ vi sinh vật và ứng dụng)
Như vậy, chất sinh trưởng có ý nghĩa nhất là những chất hữu cơ cần
thiết cho hoạt động sống của một lồi vi sinh vật nào đó mà chúng khơng
có khả năng tổng hợp.
2.2.

Các thành phần của mơi trường lên men

Vi sinh vật cần dinh dưỡng và các nhân tố khác để phát triển sinh trưởng.
Các chất dinh dưỡng lại được cung cấp từ dịch lên men. Do đó hiểu biết q
trình chuyển h óa dinh dưỡng cũng như nhu cầu dinh dưỡng trong môi trường
lên men là một yếu tố quyết định năng suất sinh học cho quá trình lên men.
Để chuẩn bị cho quá trình lên men việc quan trọng và đầu tiên là phải
chuẩn bị và xử lý kỹ lưỡng môi trường lên men. Khi có mơi trường lên men tốt
và đật u cầu thì mới thu được các sản phẩm mong muốn với độ tinh khiết và
năng suất cao nhất. Một cách khái quát thì mơi trường lên men gồm có: dưỡng
chất, cơ chất, chất mang và phụ gia.
- Dưỡng chất là những thành phần dùng để duy trì sự sống cho vi sinh vật và
giúp chúng phát triển cũng như duy trì hoạt tính.
- Cơ chất là các thành phần sẽ bị biến đổi trong quá trình lên men để tạo ra
sản phẩm. Nếu sản phẩm là sinh khối vi sinh vật thì cơ chất cũng là dưỡng
chất.
- Chất mang khi lên men trong mơi trường lỏng thì chất mang chủ yếu là
nước, khi lên men trong môi trường rắn, chất mang là các giá thể rắn như
rơm rạ, bã mía, mạt cưa…
- Phụ gia là các thành phần giúp quá trình lên men đạt hiệu quả cao hơn, xúc
tiến một số quá trình có lợi, ngăn ngừa hay hạn chế một số q trình có hại.
 Để hiểu rõ hơn vấn đề phân tích cụ thể với nguồn nguyên liệu là mật rỉ
đường được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp lên men. Trong mật rỉ chứa
hàm lượng đường cao. Ngoài ra cịn rất giàu các chất hữu cơ, chất vơ cơ, các
chất thuộc nhóm vitamin và các chất kích thích sinh trưởng đặc biệt là
vitamin H (biotin) là chất kích thích sinh trưởng cho nấm men. Tuy nhiên
mật rỉ có màu nâu sẫm rất khó phá hủy trong q trình lên men và sau lên
men chúng sẽ bám màu vào sinh khối vi sinh vật và sản phẩm nên mật rỉ
26

thường xử lý trước khi lên men. Thông thường là sử dụng acid sunfuric đậm
đặc với lượng 3,5 kg cho một tấn mật rỉ. Khuấy đều li tâm thu dịch trong.
Sau đó từ dịch mật rỉ đã xử lý sẽ đem pha chế thành các loại mơi trường có
nồng độ đường khác nhau. Với môi trường nuôi cấy thu nhận sinh khối,
nồng độ đường chỉ cần 2-4%. Trong khi đó môi trường lên men cồn hay acid
hữu cơ khác, nồng độ đường lại từ 16-22%. Tuy nhiên giá trị của mật rỉ
trong q trình ni cấy nấm men thu nhận sinh khối khơng chỉ do lượng
đường saccharose có trong mật rỉ mà cịn phụ thuộc vào cả lượng mối
khống, các chất kích thích sinh trưởng và thành phần khác quyết định. Như
vậy mật rỉ đường vừa là nguồn cơ chất cũng là dưỡng chất.
2.2.1. Yêu cầu đối với môi trường lên men
2.2.1.1. Yêu cầu chung
Khi xây dựng công thức phối chế cũng như khi thực hiện chuẩn bi môi
trường lên men, ta cần lưu ý các điểm sau:
 Đối với dưỡng chất, phải có đầy đủ các thành phần cần thiết cho sự sinh
trưởng của vi sinh vật. Các thành phần này phải cân đối, hài hòa và phải
dễ hấp thu, dễ chuyển hóa.
 Cần có tính cơng nghệ cao: dễ tìm, dễ vận chuyển, dễ bảo quản, dễ tiệt
trùng, dễ tinh chế.
 Khơng hay ít có ảnh hưởng đến sinh trưởng và hoạt tính của vi sinh vật.
 Khơng hay ít có ảnh hưởng đến sản phẩm và q trình xử lý sau lên men.
 Giá thành hợp lý. Điều này đặc biệt quan trọng khi sản xuất những sản
phẩm thông dụng ( như bột ngọt ).
2.2.1.2. Yêu cầu về nguồn dinh dưỡng trong môi trường lên men
Trong công nghiệp người ta dùng các nguồn dinh dưỡng khác nhau để
chuẩn bị môi trường với yêu cầu là càng thỏa mãn các điều kiện sau đây càng
tốt:
 Tăng cường tối đa hiệu suất tạo sinh khối hoặc/và sản phẩm.

 Tăng cường tối đa nồng độ sinh khối hoặc sản phẩm.
 Cho phép tạo được tốc độ sản xuất tối đa.

26


 Hạn chế đến mức tối thiểu hiệu suất tổng hợp các sản phẩm không mong
muốn.
 Ổn định chất lượng và sẵn sàng cho sử dụng quanh năm.
 Hạn chế đến mức tối thiểu việc xảy ra các vấn đề trong q trình chuẩn bị
và thanh trùng mơi trường.


Hạn chế đến mức tối thiểu các vấn đề nảy sinh như gây trở nảy cho việc
khuấy trộn, chiết tách, tinh sạch và xử lý chất thải.

 Cần lưu ý là việc chọn mơi trường có liên quan mật thiết đến việc thiết kế
nồi lên men, ảnh hưởng đến quá trình thu hồi sản phẩm và quá trình xử lý
chất thải sau lên men và các yếu tố liên quan đến pháp luật, văn hóa, tơn
giáo, …
2.2.2. Thành phần mơi trường
Tùy theo mục đích mà chúng ta có thể tạo ra mơi trường với những
thành phần khác nhau. Nhưng khi xem xét về mặt chức năng môi trường gồm
nguồn C, nguồn N, khống các yếu tố vi lượng và chất kích thích sinh trưởng.
2.2.2.1. Nguồn C
Nguồn cacbon là nguồn nguyên liệu chính cho mơi trường lên men.
Nguồn cacbon này có thể được cung cấp từ những hợp chất hữu cơ như gluxit
hoặc polysaccarit hay mỡ dầu, acid hữu cơ và rượu trong đó lactic acid được vi
sinh vật hấp thu dễ dàng hơn.
Gluxit trong tự nhiên gồm 3 nhóm: đường đơn (monosaccarit),

oligosaccarit (đường đôi đến đường 10) và polysaccarit. Polysaccarit là hợp chất
gluxit có phân tử lớn trùng hợp từ hexozo hoặc pentozo. Các hợp chất
polysaccarit tiêu biểu là tinh bột, xenlulozo và hemixenlulozo. Song, đối với
cơng nghiệp lên men thì đường đơn (glucozo, fructozo), đường đôi ( saccarozo,
maltozo) và tinh bột có ý nghĩa hơn cả. Vì vậy mà ngun liệu được dùng trong
lên men chủ yếu là các loại hạt ngũ cốc, có hàm lượng tinh bột cao hoặc các loại
mật rỉ đường.
Trong tế bào nguồn C trải qua một loạt q trình biến hố hố học phức
tạp sẽ biến thành vật chất của bản thân tế bào và các sản phẩm trao đổi chất. C
có thể chiếm đến khoảng một nửa trọng lượng khô của tế bào. Đồng thời hầu hết
các nguồn C trong các quá trình phản ứng sinh hố cịn sinh ra trong tế bào
nguồn năng lượng cần thiết cho hoạt động sống của vi sinh vật. Một số vi sinh

26


vật dùng CO2 làm nguồn C duy nhất hay chủ yếu để sinh trưởng, khi đó nguồn C
khơng phải là nguồn sinh năng lượng.
Vi sinh vật sử dụng một cách chọn lọc các nguồn C. Đường nói chung là
nguồn C và nguồn năng lượng tốt cho vi sinh vật. Nhưng tuỳ từng loại đường
mà vi sinh vật có những khả năng sử dụng khác nhau. Ví dụ trong mơi trường
chứa glucose và galactose thì vi khuẩn Escherichia coli sử dụng trước glucose
(gọi là nguồn C tốc hiệu) còn galactose được sử dụng sau (gọi là nguồn C trì
hiệu). Hiện nay trong các cơ sở lên men công nghiệp người ta sử dụng nguồn C
chủ yếu là glucose, saccharose, rỉ đường (phụ phẩm của nhà máy đường) tinh
bột (bột ngô, bột khoai sắn...), cám gạo, các nguồn cellulose tự nhiên hay dịch
thuỷ phân cellulose.
Năng lực đồng hoá các nguồn C ở các vi sinh vật khác nhau là khơng
giống nhau. Có lồi có khả năng sử dụng rộng rãi nhiều nguồn C khác nhau,
nhưng có lồi khả năng này rất chọn lọc. Chẳng hạn vi khuẩn Pseudomonas có

thể đồng hố được tới trên 90 loại hợp chất C, nhưng các vi khuẩn thuộc nhóm
dinh dưỡng methyl (methylotrophs) thì chỉ đồng hố được các hợp chất 1C như
methanol, methane...
Nguồn C chủ yếu được vi sinh vật sử dụng gồm có đường, acid hữu cơ,
rượu, lipid, hydrocarbon, CO2, carbonat... (Bảng 2.2.1)
Bảng 2.2.1: Nguồn C được vi sinh vật sử dụng
Nguồn C
Đường
Acid hữu cơ
Rượu
Lipid
Hydrocarbon
Carbonate
Các nguồn C
khác

Các dạng hợp chất
Glucose, fructose, maltose, saccharose, tinh bột, galactose,
lactose, mannite, cellobiose, cellulose, hemicellulose, chitin...
Acid lactic, acid citric, acid fumaric, acid béo bậc cao, acid béo
bậc thấp, aminoacid...
Ethanol
Lipid, phospholipid
Khí thiên nhiên, dầu thô, dầu paraffin
NaHCO3, CaCO3, đá phấn
Hợp chất nhóm thơm, cyanide, protein, pepton, acid nucleic...

2.2.2.2. Nguồn N
Vi sinh vật cần nitơ để xây dựng tế bào vì tất cả các thành phần trong tế bào
đều có chứa nitơ. Nguồn nitơ trong khơng khí rất phong phú nhưng nó rất bền

vững về mặt hóa học và chỉ có những vi sinh vật cố định nitơ mới có khả năng

26


đồng hóa chúng. Do vậy nguồn nitơ sử dụng trong công nghệ lên men chủ yếu là
hợp chất vô cơ và hữu cơ.
Thông thường người ta thường dung các loại muối amon, nitrat hay ure làm
nguồn cung cấp chính. Bên cạnh đó ta có thể dùng các nguyên liệu tự nhiên giàu
đạm bánh dầu các cây họ đậu, dịch chiết nấm men để kích thích sinh trưởng.
Trong một số trường hợp sục NH3 cũng là giải pháp để cung cấp nitơ cho vi
sinh vật.
Nguồn N thường không là nguồn năng lượng, chỉ một số ít vi sinh vật tự
dưỡng (thuộc nhóm ammon hố-ammonification, nhóm nitrate hốnitrification) dùng muối ammone, muối nitrate làm nguồn năng lượng. Trong
điều kiện thiếu nguồn C một số vi sinh vật kỵ khí trong điều kiện khơng có oxy
có thể sử dụng một số aminoacid làm nguồn năng lượng. Nguồn N thường được
vi sinh vật sử dụng là protein và các sản phẩm phân huỷ của protein ( peptone,
peptide, aminoacid...), muối ammone, nitrate, N phân tử (N2), purine,
pyrimidine, urea, amine, amide, cyanide...(bảng 2.2.2)
Bảng 2.2.2: Nguồn N được vi sinh vật sử dụng
Nguồn N
Protein và các
sản phẩm phân
giải của protein
Ammone và
muối ammone
Nitrate
N phân tử
Các nguồn N
khác

Các dạng hợp chất
Peptone, peptide, aminoacid... (một số vi sinh vật tiết men
proteinase phân giải protein thành các hợp chất phân tử nhỏ
hơn rồi mới hấp thu được vào tế bào)
NH3, (NH4)2SO4,... (dễ được hấp thu)
KNO3 (dễ được hấp thu)
N2 (với vi sinh vật cố định N)
Purine, pyrimidine, urea, amine, amide, cyanide (chỉ một số
nhóm vi sinh vật mới có thể đồng hố được)

Nguồn N thường được sử dụng để ni cấy vi sinh vật gồm có pepton, bột
cá, bột nhộng tằm, bột đậu tương, bột khô lạc, cao ngô, cao thịt, cao nấm men...
Vi sinh vật sử dụng chọn lọc đối với nguồn N. Chẳng hạn xạ khuẩn sản sinh
terramycin sử dụng cao ngô với tốc độ nhanh hơn so với sử dụng khơ đậu tương
hay khơ lạc, bởi vì nguồn N trong cao ngô là các sản phẩm phân giải dễ hấp thu
của protein. Cao ngô được coi là nguồn N tốc hiệu, cịn khơ dầu được coi là
nguồn N trì hiệu. Loại N tốc hiệu là có lợi cho sự sinh trưởng của vi sinh vật,
cịn loại trì hiệu lại có lợi cho sự hình thành các sản phẩm trao đổi chất. Khi sản
xuất terramycin chẳng hạn, người ta phối hợp sử dụng cao ngô và khô dầu theo
26


một tỷ lệ nhất định để phối hợp giữa giai đoạn sinh trưởng tạo sinh khối và giai
đoạn sinh tổng hợp các sản phẩm trao đổi chất, nhằm mục tiêu là nâng cao sản
lượng terramycin.
2.2.2.3. Nguồn muối vô cơ
Các muối vô cơ là nguồn chất dinh dưỡng không thể thiếu đối với sự sinh
trưởng của vi sinh vật. Chúng có các chức năng sinh lý chủ yếu là: tham gia vào
thành phần của các trung tâm hoạt tính ở các enzyme của vi sinh vật, duy trì tính

ổn định của kết cấu cá đại phân tử và tế bào, điều tiết và duy trì cân bằng áp suất
thẩm thấu của tế bào, khống chế điện thế oxy hoá khử của tế bào và là nguồn vật
chất sinh năng lượng đối với một số loài vi sinh vật (bảng 2.2.3).
Bảng 2.2.3: Muối vô cơ và chức năng sinh lý của chúng
Nguyên tố Hợp chất
sử dụng
P
S

Mg
Ca
Na
K

Fe

Chức năng sinh lý

Là thành phần của acid nucleic, nucleoprotein,
KH2PO4, phospholipid, coenzyme, ATP... Làm nên hệ thống
K2HPO4
đệm giúp điều chỉnh pH môi trường.
Là thành phần của các aminoacid chứa S, một số
(NH4)2SO4, vitamin; glutathione có tác dụng điều chỉnh điện
MgSO4
thế oxy hoá khử trong tế bào.
Là thành phần trung tâm hoạt tính của enzyme
phosphoryl hố hexose, dehydrogenase của acid
MgSO4 isocitric, polymerase của acid nucleic, thành phần
của chlorophyll và bacterio-chlorophyll.

CaCl2,
Tạo tính ổn định của một số cofactor, enzyme duy
Ca(NO3)2 trì, cần cho sự dựng trạng thái cảm thụ của tế bào.
Thành phần của hệ thống chuyển vận của tế bào,
NaCl
duy trì áp suất thẩm thấu, duy trì tính ổn định của
một số enzyme.
Là cofactor của một số enzyme, duy trì áp suất
KH2PO4,
thẩm thấu của tế bào, là nhân tố ổn định của
KH2PO4
ribosome ở một số vi khuẩn ưa mặn.
Thành phần của sắc tố vi khuẩn và một số enzyme,
là vật chất nguồn năng lượng của một số vi khuẩn
FeSO4
sắt, cần thiết để tổng hợp chlorophyll và độc tố vi
khuẩn bạch hầu.

Trong quá trình sinh trưởng vi sinh vật còn cần tới một số nguyên tố vi
lượng. Những nguyên tố này cũng có vai trị quan trọng mặc dầu chỉ cần với số
lượng rất nhỏ, khoảng 10-8-10-6 mol/ L môi trường nuôi cấy. Nguyên tố vi lượng
tham gia vào thành phần enzyme và làm hoạt hoá enzyme. (Bảng 2.2.4)
26


Bảng 2.2.4: Tác dụng sinh lý của nguyên tố vi lượng
Nguyên tố
Zn
Mn
Mo

Se
Co
Cu
W
Br

Tác dụng sinh lý
Có mặt trong alcohol dehydrogenase, lactodehydrogenase,
phosphatase kiềm, ARNpolymerase, ADNpolymerase...
Có mặt trong peroxyd dismutase, carboxylase ciitric synthetase
Có mặt trong reductase nitrate, nitrogenase, dehydrogenase
formic.
Có mặt trong reductase glycin, reductase formic.
Có mặt trong mutase glutamic.
Có mặt trong cytochrome oxydase.
Có mặt trong dehydrogenase formic.
Có mặt trong urease, cần cho sự sinh trưởng của vi khuẩn
hydrogen.

Nếu thiếu nguyên tố vi lượng trong q trình sinh trưởng thì hoạt tính sinh
lý của vi sinh vật bị giảm sút, thậm chí ngừng sinh trưởng. Do nhu cầu dinh
dưỡng của vi sinh vật là không giống nhau cho nên khái niệm về nguyên tố vi
lượng chi có ý nghĩa tương đối. Vi sinh vật thường tiếp nhận nguyên tố vi lượng
từ các chất dinh dưỡng hữu cơ thiên nhiên, các hố chất vơ cơ, nước máy hay
ngay từ trong các dụng cụ nuôi cấy bằng thuỷ tinh. Chỉ trong những trường hợp
đặc biệt mới cần bổ sung nguyên tố vi lượng vào môi trường ni cáy vi sinh
vật.
Vì nhiều ngun tố vi lượng là kim loại nặng cho nên nếu dư thừa sẽ gây
hại cho vi sinh vật. Khi cần bổ sung thêm nguyên tố vi lượng vào môi trường
cần lưu ý khống chế chính xác liều lượng.

2.2.2.4. Vitamin
Tùy theo yêu cầu và chất lượng mà ta bổ sung các loại vitamin cho phù
hợp tránh lãng phí. Một số vi sinh vật có thể tự tổng hợp được vitamin, nhưng
nhiều loại khác lại cần được cung cấp vitamin trong mơi trường dinh dưỡng thì
mới sinh trưởng được. Vitamin chủ yếu là coenzyme hay cofactor của các
enzyme tham gia vào quá trình trao đổi chất. Một số vi sinh vật không tự tổng
hợp được những aminoacid nào đó, cần bổ sung vào mơi trường các aminoacid
đó hay bổ sung peptide chuỗi ngắn. Chẳng hạn vi khuẩn Leuconostoc
mesenteroides cần tới 17 loại aminoacid mới sinh trưởng đươc. Một số vi khuẩn
cần cung cấp D-alanin để tổng hợp thành tế bào. Purine và pyrimidine chủ yếu
được dùng làm coenzyme hay cofactor của các enzyme cần thiết cho quá trình
tổng hợp nucleoside, nucleotide và acid nucleic.

26


Bảng 2.2.5: Chức năng của một số vitamin thông thường đối với vi sinh vật
Vitamin

Chức năng

Ví dụ về các vi sinh vật cần cung
cấp
Carboxyl hóa (cố định CO2) Leuconostoc mesenteroides (B)
Biotin (H)
Saccharomyces cerevisiae (F)
Trao đổi chất một carbon
Ochromonas malhamensis (A)
Acanthammoeba castellanii (P)
Sắp xếp lại phân tử

Lactobacillus spp. (B)
Vitamin B12 Nhóm mang methyl trong trao
Euglena gracilis (A)
đổi chất một carbon
Tảo silic và nhiều vi tảo khác (A)
Acanthammoeba castellanii (P)
Acid folic
Trao đổi chất một carbon
Enterococcus faecalis (B)
Tetrahymena pyriformis (P)
Acid lipoic
Chuyển nhóm acyl
Lactobacillus casei (B)
Tetrahymena spp. (P)
Acid
Tiền thể của CoA (oxy hóa
Proteus morganii (B)
pantotenic
pyruvat, trao đổi axit béo)
Hanseniaspora spp. (F)
Paramecium spp. (P)
Pyridoxin
(B6)

Trao đổi acid amin

Lactobacillus spp. (B)
Tetrahymena pyriformis (P)
Tiền thể của NAD, NADP
Brucella abortus (B)

Niacin
Haemophilus influenza (B)
Blastocladia pringsheimii (F)
Crithidia fasciculata (P)
Tiền thể của FAD, FMN
Caulobacter vibrioides (B)
Riboflavin
Dictyostelium spp. (F)
(B2)
Tetrahymena pyriformis (P)
Bacillus anthracis (B)
Chuyển nhóm aldehyd
Phycomyces blakesleeanus (F)
Thiamin (B1)
(khử carboxyl pyruvat, oxy Ochromonas malhamensis (A)
hóa acid α-keto)
Colpidium campylum (P)
Chú thích: B-Vi khuẩn; F-Vi nấm; A-Vi tảo; P-Động vật nguyên sinh
2.2.2.5. Thành phần công nghệ
Các thành phần cơng nghệ để hỗ trợ cho q trình lên men xẩy ra dễ dàng
hơn, theo chiều hướng thuận lợi hay ngăn cản một số hiện tượng, tiến trình có
hại. Một số thành phần cơng nghệ chính là:
- Chất đệm: giữ cho pH của môi trường lên men được ổn định, thường
dùng CaCO3 hoặc các muối phốt phát.
- Chất chống tạo bọt: silicon, polyether, các loại dầu thực vật có thể dùng
cho mục đích này.
26


- Chất tạo phức: ngăn ngừa sự kết tủa của các ion kim loại, đặc biệt là khi

tiệt trùng. Ta có thể dùng axit xitric, các poly phốt phát, etylendiamn
tetraaxetic (EDTA).
- Các chất định hướng: làm quá trình lên men chuyển biến theo một chiều
hường phù hợp với mục đích sản xuất.
- Các chất cảm ứng: để thúc đẩy tiến trình lên men tạo ra một sản phẩm nào
đó, thí dụ dùng tinh bột để sản xuất amylaz, dùng pectin để sản xuất
pectinaz.
- Các chất xúc tiến: dùng để rút ngắn thời gian của pha tiềm phát (pha lag),
qua đó làm tăng năng suất của thiết bị.
Như vậy các chất dinh dưỡng đưa vào môi trường lên men phải đảm bảo
đủ năng lượng và vật liệu cần thiết cho quá trình lên men.Tuy nhiên cung lưu ý
tới từng loại vi sinh vật mà xây dựng khẩu phần dinh dưỡng thích hợp.Tùy từng
loài vi sinh vật mà ta cung cấp chất dinh dưỡng khác nhau nhưng cần chú ý đến
đặc điểm sinh lý của chúng và điều kiện tiến hành.

2.3.

Một số môi trường lên men tiêu biểu

2.3.1. Khái quát chung
Người ta chia môi trường nuôi cấy thành nhiều loại khác nhau. Căn cứ vào
thành phần môi trường về cơ bản ta có ba loại mơi trường là mơi trường tự
nhiên, mơi trường bán tổng hợp và môi trường tổng hợp.
2.3.1.1. Môi trường tự nhiên (complex medium)
Đây là loại môi trường chứa các chất hữu cơ thiên nhiên không biết rõ
thành phần hóa học hoặc thành phần hóa học khơng ổn định, vì vậy cịn được
gọi là mơi trường khơng xác định về hóa học (chemically undefined medium).
Các mơi trường Cao thịt-Pepton, môi trường Mạch nha, môi trường LB (LuriaBertani) là các ví dụ của loại mơi trường này.
-

Ưu điểm : Loại môi trường này thường chứa nhiều chất hữu cơ và vơ cơ
tan trong nước, có thể đáp ứng nhu cầu về sự phát triển của vi khuẩn. Môi
trường tự nhiên dễ chuẩn bị, vừa rẻ tiền lại có thể sử dụng cho nhiều mục
đích nghiên cứu vi khuẩn.

26


- Nhược điểm: Khơng biết chính xác thành phần dinh dưỡng, cũng như
thành phần dinh dưỡng của những lần chuẩn bị khác nhau sẽ khơng hồn
tồn giống nhau. Do đó khi nuôi cấy vi khuẩn của những lần chuẩn bị mơi
trường khác nhau có thể khơng giống nhau.
Thành phần của môi trường LB là như sau (g/l): Peptone - 10; Cao nấm
men - 5; NaCl -10; pH: 7,0; khử trùng ở 1210C trong 21 phút. Cao thịt là nước
chiết thịt được cô đặc lại. Cao thịt chứa các chất đạm hữu cơ, đường, vitamin,
muối khoáng- tất cả đều dễ tan trong nước. Peptone là dạng thủy phân bằng
protease hay bằng acid đối với thịt, casein, gelatin sau đó làm khơ lại thành dạng
bột. Peptone chứa phong phú các chất đạm hữu cơ, cũng có một số vitamin và
đường. Cao nấm men là dịch tự phân (autolysate) tế bào nấm men được cô đặc
lại. Cao nấm men chứa phong phú vitamin nhóm B, cũng có chứa các chất đạm
hữu cơ và đường.
Ngồi các loại nói trên mơi trường tự nhiên cịn được chế tạo từ các nguyên
liệu khác thường lá các sản phẩm hay phụ phẩm của sản xuất nông lâm ngư
nghiệp, thực phẩm như bột ngũ cốc, mật rỉ đường, bánh dầu hoặc nước chiết
khoai tây, nước chiết giá đậu, nước chiết đất, nước chiết rơm rạ, nước chiết lông
vũ bột ngô, cám gạo, sữa, huyết thanh, nước ép cà rốt, nước dừa.
Mơi trường tự nhiên có các tính chất sau :
• Là hỗn hợp của nhiều thành phần nên có thể đáp ứng nhiều yêu cầu về
dưỡng chất như nguồn C, nguồn N, vitamin, khống.
• Thích hợp cho sản xuất với số lượng lớn, sản phẩm có yêu cầu khơng q

nghiêm ngặt, đặc biệt cho thực phẩm.
• Giá thành của môi trường thiên nhiên thường thấp, cho nên không chỉ
được sử dụng trong phịng thí nghiệm mà cịn có thể được sử dụng trong
các xí nghiệp lên men cơng nghiệp.
Tuy nhiên thành phần của môi trường tự nhiên thường khơng cân đối, hài
hịa theo u cầu sinh trưởng của vi sinh vật. Thành phần và chât lượng cũng
không ổn định gây khó khăn cho sản xuất. Khi sử dụng môi trường tự nhiên, ta
thường phải bổ sung thêm các thành phần cịn khiếm khuyết.
2.3.1.2. Mơi trường tổng hợp (medium)synthetic
Đây là loại mơi trường có thành phần hóa học được biết rõ cho nên cịn được gọi
là mơi trường xác định về hóa học (chemically defined medium). Nhiều vi
khuẩn hố dưỡng dị dưỡng có thể sinh trưởng trong mơi trường chứa glucôzơ là
nguồn cacbon và muối amôn là nguồn nitơ. Tùy theo nhu cầu dinh dưỡng của
26


mỗi loại vi khuẩn mà người ta thiết lập thành phần dinh dưỡng khác nhau trong
mỗi loại mơi trường, ví dụ: môi trường MacConkey, Vinson Blai, SS
(Salmonella-Shigella), KAI (Kligler -Iron-Agar),...
- Ưu điểm: Biết rõ ràng thành phần dinh dưỡng của mơi trường, để phù hợp
với mục đích ni cấy từng loại vi khuẩn, khi biết rõ nhu cầu dinh dưỡng
của chúng.
-

Nhược điểm: Đắt tiền, chuẩn bị phức tạp, chỉ sử dụng cho từng lồi vi
khuẩn thích hợp, trường hợp vi khuẩn chưa xác định, không thể nuôi cấy
trên môi trường này một cách bảo đảm.

Ví dụ mơi trường Gause thích hợp cho Xạ khuẩn với thành phần như sau
(g/l): Tinh bột tan - 20; KNO3 - 1; NaCl - 0,5;KHPO4.3H2O- 0,5;

K2HPO4.3H2O- 0,5; FeSO4.7H2O- 0,01, pH: 7,2-7,4; khử trùng ở 121oC trong 21
phút.
Có những vi khuẩn địi hỏi các mơi trường tổng hợp khá đơn giản, chẳng
hạn như vi khuẩn Escherichia coli với môi trường sau đây: K2HPO4-7,0g;
KH2PO4-2,0g; (NH4)2SO4-1,0g; MgSO4-0,1g; CaCl2-0,02g; Glucose-10g;
Nguyên tố vi lượng (Fe,Co,Mn,Zn,Cu,Ni,Mo)-mỗi loại 2-10μg; Nước cất1000ml.

Escherichia coli
Có những vi sinh vật địi hỏi các mơi trường tổng hợp rất phức tạp (và đắt
tiền). Sau đây là ví dụ về môi trường tổng hợp dùng để nuôi cấy vi tảo Euglena:
acid glutamic-6g; acid aspartic-4g; Glycine-5g; Sacchaose-30g; Acid malic1,04g; Acid boric-1,14mg; Thiamine HCl-12mg; KH2PO4- 0,6g; MgSO4-0,8g;
CaCO3-0,16g; (NH4)2CO3- 0,72g; FeCl3-60mg; ZnSO4- 40mg; MnSO4-6mg;
CuSO4- 0,62mg; CoSO4- 5mg ; (NH 4)2MoO4- 1,34mg; Nước 1000ml.

26


Vi tảo Euglena
Để chuẩn bị môi trường thuộc loại này, ta phối trộn các thành phần đơn
giản (thường là các loại hóa chất) theo đúng liều lượng, sau đó kết hợp với chất
mang rồi xử lý tiếp. Môi trường loại này có các tính chất sau:
- Đơn giản, dễ thực hiện, khơng địi hỏi nhiều cơng sức để chuẩn bị.
- Thành phần xác định đúng như yêu cầu đã đề ra, và ổn định
- Chất lượng cao.
- Việc tiến hành quá trình lên men tương đổi dễ dàng hơn, chất lượng sản
phẩm cũng ổn định.
Tuy nhiên loại môi trường này có giá thành cao và trên loại mơi trường
này vi sinh vật phát triển tương đối chậm nên chỉ phù hợp cho quy mô nhỏ,
pilot, giai đoạn nhân giống hay dùng để sản xuất các sản phẩm cao cấp, có giá
trị cao như dược phẩm; nói chung thích hợp sử dụng trong phạm vi phịng thí

nghiệm.

2.3.1.2. Mơi trường bán tổng hợp
Mơi trường bán tổng hợp là mơi trường trong đó có một số chất tự nhiên
khơng xác định được thành phần và số lượng như pepton, cao thịt, cao nấm men
và các chất hoá học đã biết thành phần và số lượng. Vì thế mà mơi trường bán
tổng hợp có ưu điểm là khắc phục được những nhược điểm của cả hai mơi
trường trên.
Ví dụ: mơi trường gồm: nước chiết thịt và gan: 30g/l; glucose: 2g/l; thạch:
6g/l; nước cất: 1g/l.
2.3.2. Một số thành phần mơi trường lên men tiêu biểu
• Môi trường sinh tổng hợp Amylase ( Underkotler, 1966)
Dịch thủy phân đậu nành

1,85%

Dịch chiết nấm men thủy phân

1,5%
26


Dịch thủy phân Casein

0,65%

Lactose

4,75%

MgSO4.7H2O

0,04%

Chất phá bọt

0,05%

 Môi trường sản xuất Glutamic acid ( Gore et al., 1968)
Dextrose

270g/L

NH4H2PO4

2g/L

(NH4)2HPO4

2g/L

K2SO4

2g/L

MgSO4.7H2O

0,5g/L

MnSO4.H2O

0,04g/L

FeSO4.7H2O

0,02g/L

Polyglycol 2000

0,3g/L

Biotin

12mg/L

Penicillin

11mg/L

• Mơi trường sản xuất Pennicillin ( Perlan, 1970)
Glucose hoặc rỉ đường (feed liên tục)

10%

Dịch chiết bắp

4-5%

Phenylacetic aid

0,5-0.8%

Lard oil (hoặc dầu thực vật) dùng làm chất phá bọt pH 6,5-7,5 (acid hoặc kiềm)
0.5%
• Môi trường sản xuất Endotoxin từ Baccillus thuringlensis ( Holmberg et
al., 1980)
Rỉ đường

0-4%

Bột đậu nành

2-6%

KH2PO4

0,5%
26